找方案 | 基于ST-ONE数字控制器和MasterGaN2设计的 65W ACF USB PD之适配器应用方案

STDES-65ACFADP是一款用于USB Type-C的65W 有源箝位反激式适配器参考设计，在整个操作负载范围和通用电源输入电压范围内均显示出高效性能。该参考设计为采用平面变压器技术的紧凑型解决方案开辟了道路，并提供满载时的峰值效率为93.7%。它还满足CoC 2级和DoE 6级平均效率要求。软开关拓扑有助于降低开关损耗，同时低静态电流消耗使其成为同类产品中最佳的空载消耗。该DEMO板主要用ST-ONE数字控制器来实现专有的ZVS有源箝位反激，具有低RMS电流，从而实现了高性能。该控制器承诺提高广泛的AC-DC适配器的效率，包括笔记本电脑和智能手机充电器，完全符合USB-PD 3.1。使用ST-ONE中嵌入的同步整流数字控制将二次损耗降至最低。初级侧由于MasterGaN2的性能，降低了开关和传导损耗，消除了反向恢复损耗，从而确保了更高的效率。高度集成的MasterGaN IC，所以无需再考虑GaN驱动的复杂性，即可享受GaN技术的好处，增强了应用的稳定性和PCB布局的简化。

新型ST-ONE控制器基于先进的氮化镓（GaN）半导体技术驱动ST MasterGaN功率输出模块。氮化镓晶片可显著节省能源并缩小设备尺寸。USB Type-C的设计者 符合Power Delivery标准的适配器和壁装充电器可以从ST-ONE+MasterGaN中受益，这是用于USB-PD充电器的最高功率密度解决方案。

MasterGaN 2的介绍：

MasterGaN的设计，展示了新款高集成度器件如何提高功率密度、能效，简化产品设计，缩短上市产品上市时间。利用GaN功率晶体管的高能效，参考设计一次侧采用无散热器设计。此外，GaN晶体管的开关性能出色，工作频率高于普通硅基MOSFET解决方案，因此可以使用较小的电磁元件和电容，实现更高的功率密度和更低的物料清单成本。ST的MasterGaN是集成一个STDRIVE半桥栅极驱动器和两个650V增强型GaN晶体管，目前MasterGaN系列有对称和非对称配置的MasterGaN1/2/3/4/5，其中MasterGaN1/4/5是对称配置集成了两个上下管内阻一样的GaN，采用9mm x 9mm的薄型GQFN封装，封装内部电路额定电压最高650V，高低压焊盘之间的最高爬电距离超过2mm。

MASTERGAN2是一款先进的封装电源系统，集成了一个栅极驱动器和两个不对称半桥结构的增强型GaN晶体管。集成功率GaN具有650 V漏源阻断电压和150 m的RDS（ON）Ω 和225米Ω 分别用于低端和高端，而嵌入式门驱动器的高端可以很容易地由集成自举二极管提供。MASTERGAN2在下部和上部驱动部分都具有UVLO保护功能，可防止电源开关在低效或危险条件下运行，联锁功能可避免交叉传导条件。输入引脚扩展范围允许与微控制器、DSP单元或霍尔效应传感器轻松连接。该器件采用紧凑的9x9毫米QFN封装。工作温度范围在-40°C至125°C的工业级产品。

ST-ONE 的介绍：

ST-ONE是世界上第一个将基于ArmCortex-M0+内核的可编程脱机电源控制器、内置64kB闪存、高压启动电路、同步整流控制器和USB电源传输（USB-PD）电路集成在一个软件包中的具有二次侧数字离线控制器，通过USB-PD 3.1 PPS 认证。它针对基于新型非互补有源钳位反激拓扑的设计进行了优化，该拓扑在65 W以上的大功率设计中比其他拓扑具有更高的效率。专门用于采用智能充电解决方案（包括USB-PD）的有源箝位反激变换器。该设备在一次侧包括一个有源钳位反激控制器及其启动，在二次侧包括微控制器和控制转换和通信所需的所有外围设备。双方通过嵌入式电隔离通信信道连接。设备在出厂时已加载固件，该固件处理电源转换和USB-PD的通信协议，包括可选PPS和电子标记电缆管理、SCP、FCP和QC 3.0 HVDCP B级。通过使用非互补的有源钳位反激和专用电源模式，该设备可以实现高效率和低空载功耗。专用内存存储出厂过程中的默认设备配置。用户可以更改或调整此存储区域以符合最终产品规格。

Demo 板原理图：

►场景应用图

►产品实体图

►展示板照片

►方案方块图

►核心技术优势

1, 较少的外部辅助器件，集成32位 Cortex M0+ core 实现数控一体平台；

2, 超高功率密度（30W/inch3），有利于产品小型化;

3, 高达1MHz的开关频率操作，适用于GaN和平面变压器;

4, 优化同步整流数字控制，嵌入式6 kV电气隔离;

5, 内部嵌入式高压启动、X-CAP自放电线路和负载开关功能，各种安全保护线路；

6, 非常紧凑及简单的PCB布板;

►方案规格

•通用输入电源范围：90 Vac至264 Vac-频率47 Hz至63 Hz

•输出电压范围：5 VDC-20 VDC

•PD输出：–五个固定PDO: 5V@3A，9V@3A，12V@3A，15V@3A，20V@3.25A.

•输出功率：20 V-3.25 A，最大65 W。

•形状系数：54 mm（长）*31 mm（宽）*25 mm（高）

•效率：满足CoC Tier 2和DoE Level 6效率要求，最高效率为93.7#0伏交流电压65瓦

•ACF一次侧和二次侧的数字控制

•集成GaN IC MASTERGAN2

•紧凑、简化的PCB布局，减少材料清单

•符合EMC：CISPR32B/EN55032B

•平面变压器技术，实现高功率密度